吹肥皂泡是小孩子们最喜欢的活动之一,当天气转暖,公园内、湖畔旁、庭院里,总少不了一些小孩子吹泡泡和追赶泡泡的嬉戏身影。然而,就是这么非常普通的肥皂泡,科学家们监测到它们在破裂的瞬间,温度可以达到2万摄氏度,而太阳的表面温度才5500摄氏度,也就是说一个肥皂泡在破裂时,可以达到太阳表面4倍的高温。那么,为什么如此高的温度,不会将人体灼伤呢?

肥皂泡如何形成的?

如果我们吹的是纯净水,那么显而易见,是很难吹出泡泡来,即使能吹出来,也会在极短的时间内破裂。如果我们在水中加入特定的表面活性剂,比如肥皂、洗衣粉或者洗衣液,情况就不一样了。

表面活性剂是一类具有特定的亲水或者亲油性质的物质,在溶液中,这些活性剂可以使液体的表面分子呈现定向排列的情况,从而使液体表面张力明显下降。由于表面活性剂具有一定的抗粘、起泡、增溶、洗涤、防腐、抗静电等功能,所以既能作为日常生活中洗涤剂的主要成分,同时也成为精细化工领域使用广泛的一类化工产品。

当在水中加入表面活性剂以后,极大降低了水的表面张力,可以在外力作用下将水拉伸为非常薄的水膜,甚至在特殊仪器设备加持下,形成只有一层分子的分子水膜。我们通过吸管等工具,向水滴中吹气时,能够在水滴中形成越来越大的“中空”空间,内部压力逐渐提升,而水的表面水膜就越来越薄,于是构成了肥皂泡的表面。肥皂泡吹出来后,其水膜的厚度是非常小的,一般在1000纳米到10纳米之间,也就是和病毒的直径差不多。

决定吹出来肥皂泡大小和存在时间的主要因素有四个,分别是液体的黏度、延展性、蒸发率以及表面张力。黏度越大、延展性越强、表面张力越小、蒸发率越低,那么肥皂泡就能吹得越大,而且持续时间越长。

当太阳光照射到肥皂泡上后,由于太阳光是由七彩的色光所构成,这些色光在通过肥皂泡后,在肥皂泡的两个表面会发生两次反射。如果两条反射光在空中相交,那么就会发生光的干涉现象,干涉的结果是可能会使其中的一种色光增强,其它色光发生削弱,所以从不同的角度观察,肥皂泡整体上会呈现出五颜六色的色彩。

肥皂泡破裂为何会产生高温?

肥皂泡之所以能够撑起来形成球形,主要的原因在于其内部“中空”部分的气体压强,要比外部的标准大气压高出很多倍,这与维持球状的气球是一个道理。而维持着内外压强差的一个“屏障”,就是水膜的表面张力。

一旦肥皂泡的水膜发生破裂,那么张力的平衡就会被打破,内部的超高压强会在极短的时间内寻找到“出口”,在气压差的推动下,内部气体快速向外部释放,从而阻止了肥皂泡水膜表面张力的恢复,因而肥皂泡就这样解体了。

原来维持肥皂泡表面张力的能量,在水膜破裂的过程中,会迅速转化为气体的分子动能。而且此时肥皂泡内部的气体分子所经受的为2万到4万赫兹的高频环境,使得气体分子和原子的整体空间变得非常小,在空间缩小和气体微观粒子动能强烈增强的条件下,粒子间互相碰撞的几率迅速提升,形成了许多高能光粒子。

通过专业的监测设备,可以通过测量肥皂泡破裂瞬间所发出的光谱,也就是说利用监测太阳表面温度同样的方式,人们可以确定破裂瞬间的温度,测量的结果能够达到2万摄氏度。所以,肥皂泡在破裂时,会因为能级很高而发出光线,只不过发光的时间太短,仅为100皮秒左右,即一万亿分之一秒,这么短的时间,没有专业设备肯定是监测不到的。

如此高的温度为何不会将人体灼烧?

通过刚才的分析,我们可以看出,肥皂泡破裂时之所以温度很高,来源于内外压力差推动下微观粒子碰撞的结果,而内外压力差的产生,来源于人在吹泡泡时所做的功,这些人们赋予肥皂泡的能量,很多都转化为肥皂泡破裂时微观粒子所具备的动能。而温度,则恰恰是衡量微观粒子运动速率的外在表现,当微观粒子速度增加一倍时,温度则以平方的方式正相关提升。

之所以肥皂泡破裂时不会灼烧人体,则与温度的高低没有太多的直接关系,而是与人体所接收到的热量多少直接相关。比如,一杯烧开的水,我们用手指快速伸进开水中然后再快速拔出来,只要速度足够快,我们根本不会感到灼烧的疼痛感,只会体会出一定的温热,因为在手指与开水接触的极短时间内,开水向手指传递的热量是非常有限的。

肥皂泡破裂时也是同样的道理,虽然微观粒子的平均动能很快,呈现出的温度数值很高,但一方面由于水膜中的分子密度高且数量非常少,另一方面高能粒子向四外高速散发所持续的时间极短,仅一万亿分之一秒, 在这样的情况下,人体实际上与肥皂泡破裂时所接触的瞬间,从高能粒子中吸收的能量是非常有限的,因此我们根本感觉不到高温的存在,人体更不会被这种高温所灼烧。